Análisis y predicción de los accidentes ciclistas en la ciudad de Hamburgo - Análisis
Adrian Läufer
2025-05-02
2. Análisis
Una vez realizado el preprocesado de los datos, realizamos un análisis de los datos obtenidos. Para ello, en primer lugar cargaremos las librerias que vamos a utilizar y los datos obtenidos del preprocesado.
library(readr)
library(data.table)
library(utils)
library(sf)
library(dplyr)
library(purrr)
library(lubridate)
library(ggplot2)
library(corrplot)
library(factoextra)
library(leaflet)df <- read_csv("data_complete.csv", locale = locale(encoding = "UTF-8"))1. Preparación de los datos
Para un análisis de la distribución de las variables, en primer lugar prescindiremos de las variables geométricas dentro del dataframe:
# Descartamos los valores geométricos
df <- df %>% select(-geometry, -geom)En primer lugar veremos como esta la estructura interna de los datos importados:
str(df)tibble [20,065 × 37] (S3: tbl_df/tbl/data.frame)
$ ...1 : num [1:20065] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...
$ FID : num [1:20065] 6188 6572 6589 6606 6695 ...
$ admin_region : num [1:20065] 6 4 4 3 2 2 6 6 1 3 ...
$ admin_district : num [1:20065] 2 2 8 6 9 9 1 2 4 1 ...
$ municipality : num [1:20065] 603 405 418 318 221 221 601 603 111 306 ...
$ year : num [1:20065] 2016 2016 2016 2016 2016 ...
$ month : num [1:20065] 4 2 3 3 1 3 2 3 3 4 ...
$ hour : num [1:20065] 15 15 14 13 8 7 7 15 15 16 ...
$ day_week : num [1:20065] 2 4 6 7 6 5 5 3 7 3 ...
$ category : num [1:20065] 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 ...
$ kind_accident : num [1:20065] 5 5 6 5 3 6 5 5 5 5 ...
$ type_accident : num [1:20065] 2 2 7 2 2 7 3 3 3 2 ...
$ accident_car : num [1:20065] 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 ...
$ accident_passenger : num [1:20065] 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 ...
$ accident_motor : num [1:20065] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
$ accident_goodsroad : num [1:20065] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
$ accident_other : num [1:20065] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
$ LINREFX : num [1:20065] 582353 565114 567468 562842 555294 ...
$ LINREFY : num [1:20065] 5926138 5939258 5937258 5941421 5936479 ...
$ road_surface_condition: num [1:20065] NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA ...
$ day : num [1:20065] 11 24 18 5 22 3 25 15 19 12 ...
$ X_fid : chr [1:20065] "DE.HH.UP_RADWEGENETZ_GESAMT_111497" "DE.HH.UP_RADWEGENETZ_GESAMT_12757" "DE.HH.UP_RADWEGENETZ_GESAMT_42600" "DE.HH.UP_RADWEGENETZ_GESAMT_86209" ...
$ street_name : chr [1:20065] "Rothenhauschaussee" "Tarpenbekstraße" "Herderstraße" "Garstedter Weg" ...
$ type_bikelane : chr [1:20065] "Calle de tráfico mixto > 50 km/h" "Calle de tráfico mixto ≤ 30 km/h" "Otros" "Otros" ...
$ direction : chr [1:20065] "in Geometrie-Richtung" "in beide Richtungen" "in Geometrie-Richtung" "in beide Richtungen" ...
$ surface : chr [1:20065] "Bituminöse Decke" "Bituminöse Decke" "Kunststein-Pflaster" "Bituminöse Decke" ...
$ width : num [1:20065] 3 3.5 1.5 2.3 NA 1.7 2.25 6 1.5 2 ...
$ pressure : num [1:20065] 1016 1013 1019 996 1031 ...
$ rainfall : num [1:20065] 0 0 0 0.1 0 0 0 0 0 0 ...
$ sunshine_minutes : num [1:20065] 20 43 0 0 0 0 0 60 0 26 ...
$ temperature : num [1:20065] 12.8 4.7 5.8 4.1 -6.6 1.8 -0.1 8.2 6.9 13.7 ...
$ humidity : num [1:20065] 61 70 84 94 93 89 94 46 67 70 ...
$ visibility : num [1:20065] 40000 40000 30000 4800 4500 20000 16000 30000 30000 24000 ...
$ weather_description : chr [1:20065] "desconocido" "lluvia" "desconocido" "lluvia" ...
$ wind_direction : chr [1:20065] "E" "W" "W" "NE" ...
$ wind_category : chr [1:20065] "Fresco" "Fresco" "Fresco" "Muy débil" ...
$ traffic : num [1:20065] 501 235 258 69 424 283 257 277 246 527 ...Además realizaremos un análisis estadísticos de los datos mediante summary(df)
summary(df) ...1 FID admin_region admin_district
Min. : 1 Min. : 6188 Min. :1.000 Min. : 1.000
1st Qu.: 5017 1st Qu.:95211 1st Qu.:2.000 1st Qu.: 3.000
Median :10033 Median :96654 Median :3.000 Median : 6.000
Mean :10033 Mean :87810 Mean :3.328 Mean : 6.693
3rd Qu.:15049 3rd Qu.:98070 3rd Qu.:5.000 3rd Qu.: 9.000
Max. :20065 Max. :99950 Max. :7.000 Max. :20.000
NA's :17859
municipality year month hour
Min. :101.0 Min. :2016 Min. : 1.000 Min. : 0.00
1st Qu.:212.0 1st Qu.:2018 1st Qu.: 5.000 1st Qu.: 9.00
Median :319.0 Median :2020 Median : 7.000 Median :14.00
Mean :348.2 Mean :2020 Mean : 6.898 Mean :13.33
3rd Qu.:507.0 3rd Qu.:2022 3rd Qu.: 9.000 3rd Qu.:17.00
Max. :718.0 Max. :2023 Max. :12.000 Max. :23.00
day_week category kind_accident type_accident
Min. :1.000 Min. :1.000 Min. :0.000 Min. :1.000
1st Qu.:3.000 1st Qu.:3.000 1st Qu.:1.000 1st Qu.:2.000
Median :4.000 Median :3.000 Median :4.000 Median :3.000
Mean :4.072 Mean :2.906 Mean :3.262 Mean :4.024
3rd Qu.:6.000 3rd Qu.:3.000 3rd Qu.:5.000 3rd Qu.:6.000
Max. :7.000 Max. :3.000 Max. :9.000 Max. :7.000
accident_car accident_passenger accident_motor accident_goodsroad
Min. :0.0000 Min. :0.00000 Min. :0.000000 Min. :0.0000
1st Qu.:0.0000 1st Qu.:0.00000 1st Qu.:0.000000 1st Qu.:0.0000
Median :1.0000 Median :0.00000 Median :0.000000 Median :0.0000
Mean :0.5861 Mean :0.07506 Mean :0.009569 Mean :0.0145
3rd Qu.:1.0000 3rd Qu.:0.00000 3rd Qu.:0.000000 3rd Qu.:0.0000
Max. :1.0000 Max. :1.00000 Max. :1.000000 Max. :1.0000
NA's :2180
accident_other LINREFX LINREFY road_surface_condition
Min. :0.000 Min. :548947 Min. :5917209 Min. :0.000
1st Qu.:0.000 1st Qu.:563047 1st Qu.:5934205 1st Qu.:0.000
Median :0.000 Median :565977 Median :5936362 Median :0.000
Mean :0.088 Mean :566542 Mean :5936301 Mean :0.269
3rd Qu.:0.000 3rd Qu.:569844 3rd Qu.:5939078 3rd Qu.:0.000
Max. :1.000 Max. :586908 Max. :5952865 Max. :2.000
NA's :13356 NA's :11526
day X_fid street_name type_bikelane
Min. : 1.00 Length:20065 Length:20065 Length:20065
1st Qu.: 8.00 Class :character Class :character Class :character
Median :16.00 Mode :character Mode :character Mode :character
Mean :15.75
3rd Qu.:23.00
Max. :31.00
direction surface width pressure
Length:20065 Length:20065 Min. : 0.750 Min. : 974.9
Class :character Class :character 1st Qu.: 1.850 1st Qu.:1010.2
Mode :character Mode :character Median : 3.000 Median :1016.2
Mean : 3.352 Mean :1015.5
3rd Qu.: 5.000 3rd Qu.:1021.3
Max. :16.000 Max. :1047.9
NA's :141 NA's :14
rainfall sunshine_minutes temperature humidity
Min. : 0.00000 Min. : 0.00 Min. :-10.00 Min. : 21.00
1st Qu.: 0.00000 1st Qu.: 0.00 1st Qu.: 8.30 1st Qu.: 57.00
Median : 0.00000 Median :11.00 Median : 14.60 Median : 72.00
Mean : 0.09622 Mean :23.22 Mean : 13.97 Mean : 70.81
3rd Qu.: 0.00000 3rd Qu.:53.00 3rd Qu.: 19.30 3rd Qu.: 86.00
Max. :38.70000 Max. :60.00 Max. : 37.70 Max. :100.00
NA's :68 NA's :1295 NA's :12 NA's :12
visibility weather_description wind_direction wind_category
Min. : 80 Length:20065 Length:20065 Length:20065
1st Qu.:20000 Class :character Class :character Class :character
Median :38910 Mode :character Mode :character Mode :character
Mean :34015
3rd Qu.:45000
Max. :80000
NA's :3
traffic
Min. : 0.0
1st Qu.: 256.0
Median : 419.0
Mean : 475.9
3rd Qu.: 628.0
Max. :2256.0
NA's :24 Para realizar una matriz de covarianzas y el análisis de PCA, las variables deben de ser numericas. Tal y como hemos visto anteriormente, existen algunas variables de tipo character, que a continuación transformaremos a tipo factor y finalmente a tipo numérico para poder implementar tanto la matriz de covarianzas como el análisis de PCA.
# Convertimos las columnas en numericas
df$category <- as.factor(df$category)
df$category <- as.numeric(df$category)
df$type_bikelane <- factor(df$type_bikelane)
df$type_bikelane<- as.numeric(df$type_bikelane)
df$direction <- factor(df$direction)
df$direction <- as.numeric(df$direction)
df$surface <- factor(df$surface)
df$surface <- as.numeric(df$surface)
df$weather_description <- factor(df$weather_description)
df$weather_description <- as.numeric(df$weather_description)
df$wind_direction <- factor(df$wind_direction)
df$wind_direction <- as.numeric(df$wind_direction)
df$wind_category <- factor(df$wind_category)
df$wind_category <- as.numeric(df$wind_category)Descartamos además las siguientes 3 variables que no son de interés para la creación de los histogramas a partir de los cuales se puede ver la distribución de las diferentes variables.
df <- df %>% select(-...1, -FID, -X_fid, -street_name)2. Análisis de la distribución de las diferentes variables
Para realizar el análisis estadístico de las diferentes variables que describen a los accidentes ciclistas en Hamburgo, en primer lugar crearemos un histograma para cada una de las variables:
for (col in names(df)) {
if (col == "category") next
variable <- df[[col]]
if (is.numeric(variable)) {
df_filtered <- df
# Agrupamos en bins
bin_data <- df_filtered %>%
mutate(bin = cut(!!sym(col), breaks = 31, include.lowest = TRUE)) %>%
group_by(bin, category) %>%
summarise(n = n(), .groups = "drop")
# Ordenamos los niveles de los bins
bin_data$bin <- factor(bin_data$bin, levels = unique(bin_data$bin))
# Creamos el histograma
p <- ggplot(bin_data, aes(x = bin, y = n, fill = as.factor(category))) +
geom_bar(stat = "identity") +
labs(title = paste("Cantidad de accidentes por", col, "y category"),
x = col, y = "Número de accidentes", fill = "category") +
theme_minimal() +
theme(axis.text.x = element_text(angle = 45, hjust = 1))
print(p)
}
}
En los histogramas representados se pueden observar las siguientes tendencias dentro de los accidentes ciclistas:
- Existen ciertas zonas en la ciudad de Hmaburgo donde se concentran los accidentes ciclistas.
- La cantidad de accidentes, especialmente los accidentes leves, han aumentado en los últimos años.
- La cantidad de accidentes aumenta en los meses cálidos, probablemente debido al mayor tráfico.
- Durante el día, los accidentes se concentran en la mañana (7-8 horas) cuando la gente va al trabajo y a la hora de salida del trabajo (16-17 horas), probablemente debido al mayor tráfico en estas horas.
- La cantidad de accidentes disminuye el fin de semana.
- En la mayoria de accidentes ciclistas también se ve involucrado un coche pero no peatones.
- A medida que aumenta la humedad, aumenta la cantidad de accidentes.
- En relación al tráfico, los accidentes aumentan a medida que el tráfico aumenta, pero una vez alcanzado un máximo, la cantidad de accidentes disminuye.
3. Matriz de correlaciones
En esta sección calcularemos y visualizaremos la matriz de correlaciones entre las variables numéricas del dataset. Esto nos permitipermitirá identificar relaciones lineales entre variables, lo cual nos podrá ser útil para la selección posterior de variables en los modelos predictivos.
Primero seleccionaremos solo las columnas numéricas del dataframe.
numeric_df <- df[sapply(df, is.numeric)]Para crar la matriz de correlaciones corresctamente, deberemos de tener un valor razonable de NAs. Por ello, vamos a controlar primero cuantos elementos NA hay para cada columna.
colSums(is.na(numeric_df)) admin_region admin_district municipality
0 0 0
year month hour
0 0 0
day_week category kind_accident
0 0 0
type_accident accident_car accident_passenger
0 0 0
accident_motor accident_goodsroad accident_other
0 2180 13356
LINREFX LINREFY road_surface_condition
0 0 11526
day type_bikelane direction
0 141 141
surface width pressure
141 141 14
rainfall sunshine_minutes temperature
68 1295 12
humidity visibility weather_description
12 3 75
wind_direction wind_category traffic
87 118 24 A continuación, definiremos un umbral de proproción mínima de datos correctos y filtraremos las columnas numéricas según este umbral, con tal de descartar las columnas con muchos valores NAs.
# Definimos un umbral para la proporción mínima de datos no faltantes (80%)
threshold <- 0.8
# Filtramos las columnas numéricas que tienen al menos el 80% de valores no nulos
valid_cols <- sapply(numeric_df, function(x) mean(!is.na(x)) > threshold)
numeric_df_filtered <- numeric_df[, valid_cols]Una vez realizado esto, podemos calcular la matriz de correlación y representarla graficamente:
# Calculamos la matriz de correlación
cor_matrix <- cor(numeric_df_filtered, use = "complete.obs")
# Representamos la matriz
corrplot(cor_matrix, method = "color", type = "upper",
tl.col = "black", tl.cex = 0.8, number.cex = 0.7,
col = colorRampPalette(c("blue", "white", "red"))(200))
En la matriz de correlaciones, vemos que existe una correlación fuerte
entre las diferentes variables climatológicas consideradas, al igual que
existe una correlación entre las variables espaciales y los limites
administrativos.
En cuanto al tipo y la categoria de accidente, se puede apreciar cierta correlación con alguna variable climatológi (humedad, temperatura) al igual que con el tipo de carril ciclista.
Para posteriormente utilizar el dataframe numeric_df en los modelos de aprendizaje automático, a continuación guardamos los datos en un csv.
### Guardamos el numeric_df para posteriormente utilizarlo en los modelos
write.csv(numeric_df, "data_complete_numeric.csv", row.names = FALSE)4. Análisis de PCA
En esta sección se realiza un Análisis de Componentes Principales (PCA) para reducir la dimensionalidad del conjunto de datos numéricos y facilitar la interpretación visual de las relaciones entre variables. El PCA permite identificar las combinaciones lineales de variables que explican mayor varianza en los datos, lo que puede ser útil tanto para exploración como para selección de variables relevantes.
Antes de aplicar el PCA, se realiza una limpieza del conjunto de datos. Para ello, eliminamos las columnas que contienen valores no finitos (Inf) o valores faltantes (NA), ya que estos afectarían negativamente el análisis.
# Eliminamos las columnas que contienen NA o Inf
numeric_df_clean <- numeric_df_filtered %>%
select(where(~ all(is.finite(.)) & !any(is.na(.))))Por otra parte escalamos las variables numéricas para que todas tengan media cero y desviación estándar uno. Esto es fundamental en PCA, ya que de lo contrario, las variables con mayores magnitudes dominarían el análisis, sin necesariamente ser más importantes.
# Escalamos las variables
numeric_df_scaled <- scale(numeric_df_clean)Una vez realizado estos pasos, aplicamos la función prcomp para calcular el PCA. Además extraemos las cargas (loadings), que indican el peso de cada variable en cada componente principal.
# Realizamos el PCA
pca_result <- prcomp(numeric_df_scaled, center = TRUE, scale. = TRUE)
# Cargas absolutas
loadings <- abs(pca_result$rotation[, 1:3])A continuación extraemos las cargas absolutas de las tres primeras componentes principales y identificamos las cinco variables más influyentes en cada una de ellas. Estas son las variables que más peso tienen en la definición de cada componente, y por tanto son claves para entender qué representa cada uno.
El resultado top_vars muestra estas cargas, ordenadas por importancia:
# Seleccionamos las 5 variables más influyentes por componente
top_vars <- apply(loadings, 2, function(x) sort(x, decreasing = TRUE)[1:5])
# Mostramos resultados
top_vars PC1 PC2 PC3
[1,] 0.6210404 0.5671122 0.7395876
[2,] 0.6169996 0.5348622 0.4724223
[3,] 0.4165860 0.5061108 0.3195143
[4,] 0.1579190 0.3020912 0.1986154
[5,] 0.1083884 0.1053809 0.1797205fviz_pca_biplot(pca_result,
label = "var",
habillage = numeric_df_clean$category,
addEllipses = TRUE,
palette = "Dark2",
repel = TRUE,
col.var = "black",
title = "Biplot del PCA coloreado por tipo de accidente")
Este gráfico nos muestra tanto:
- Las observaciones proyectadas sobre los dos primeros componentes principales.
- Las variables originales representadas como vectores, indicando su dirección y fuerza en el espacio de componentes.
Los puntos han sido coloreados según la variable categórica (category), que en este caso representa el tipo de accidente. Esto permite explorar visualmente que los diferentes tipos de accidente se agrupan de forma natural en el espacio reducido de los primeros componentes de forma similar, puesto que las elipses de cada grupo tienen formas relativamente parecidas y los grupos están poco separados entre sí a excepción quizá del grupo 1.
4. Análisis geoespacial
Además, para finalizar el análisis de los datos incluiremos un análisis geoespacial de los datos para visualizar su distribución en el espacio.
df <- read_csv("data_complete.csv", locale = locale(encoding = "UTF-8"))
df_sf <- st_as_sf(df, coords = c("LINREFX", "LINREFY"), crs = 25832) %>%
st_transform(4326)La primera variable que hemos considerado para ello ha sido la categoria del accidente:
category_colors <- colorFactor(c("blue", "red", "green"), domain = levels(factor(df_sf$category)))
leaflet(df_sf) %>%
addTiles() %>%
addCircleMarkers(
~st_coordinates(df_sf)[, 1], ~st_coordinates(df_sf)[, 2],
color = ~category_colors(category),
popup = ~category,
radius = 3,
fillOpacity = 0.7
) %>%
addLegend(
"bottomright",
pal = category_colors,
values = ~category,
title = "Tipo de accidente"
)A continuación también representamos la distribución de los accidentes según el tipo de accidente.
type_accident_colors <- colorFactor(
palette = c("blue", "red", "green", "yellow", "purple", "orange", "pink"),
domain = levels(factor(df_sf$type_accident))
)
leaflet(df_sf) %>%
addTiles() %>%
addCircleMarkers(
~st_coordinates(df_sf)[, 1], ~st_coordinates(df_sf)[, 2],
color = ~type_accident_colors(type_accident),
popup = ~type_accident,
radius = 3,
fillOpacity = 0.7
) %>%
addLegend(
"bottomright",
pal = type_accident_colors,
values = ~type_accident,
title = "Tipo de accidente"
)Finalmente según el tipo de carril bici donde ha ocurrido el accidente.
type_bikelane_colors <- colorFactor(
palette = c("blue", "red", "green", "yellow", "purple", "orange", "pink", "brown"),
domain = levels(factor(df_sf$type_bikelane))
)
leaflet(df_sf) %>%
addTiles() %>%
addCircleMarkers(
~st_coordinates(df_sf)[, 1], ~st_coordinates(df_sf)[, 2],
color = ~type_bikelane_colors(type_bikelane),
popup = ~type_bikelane,
radius = 3,
fillOpacity = 0.7
) %>%
addLegend(
"bottomright",
pal = type_bikelane_colors,
values = ~type_bikelane,
title = "Tipo de carril bici"
)Como se puede apreciar de las 3 gráficas, no se puede identificar ninguna distribución espacial de los accidentes en el espacio.